こんにちは。
今回は基本情報技術者試験の対策としてネットワーク分野の重要なところを解説していこうと思います。
もちろん情報処理技術者試験の対策としてではなく単純にネットワークについて学びたいという人もぜひ一読して行ってください。
【基本情報技術者試験】『ネットワーク』分野対策
ネットワークは、コンピューターやその他のデバイスが相互に接続され、データやリソースを共有できるシステムを指します。ネットワークの理解は、現代の情報社会において非常に重要です。以下に、ネットワークの基本概念、種類、構成要素、プロトコル、セキュリティについて詳しく説明します。
1. ネットワークの基本概念
ネットワークとは？
ネットワークは、コンピューターやデバイスが相互に接続され、データ通信を行うシステムです。ネットワークを通じて、データの共有、リソースの共有、通信が可能になります。例えば、インターネットは世界中のネットワークを接続した非常に大規模なネットワークの集合体です。
データ通信
ネットワーク上でのデータ通信は、データがパケットと呼ばれる小さな単位に分割され、送信先まで届けられることで行われます。これにより、複数の通信が同時に行われても効率的にデータの送受信が可能です。
2. ネットワークの種類
ネットワークは、規模や構成によっていくつかの種類に分類されます。
LAN（Local Area Network）
- 概要: 同一の建物内や近接した場所にあるデバイスを接続するネットワーク。家庭内ネットワークやオフィス内ネットワークが典型的な例です。
- 特徴: 高速で信頼性の高い接続が可能で、ファイル共有やプリンタ共有が簡単に行えます。
WAN（Wide Area Network）
- 概要: 地理的に離れた場所を接続するネットワーク。インターネットは最大のWANの一例です。
- 特徴: 長距離通信を行うため、通信速度はLANよりも遅くなることがありますが、広範囲のデバイスを接続できます。
PAN（Personal Area Network）
- 概要: 個人が利用するデバイス（スマートフォン、タブレット、ノートPCなど）間の短距離通信を行うネットワーク。Bluetoothが代表的な技術です。
- 特徴: 短距離かつ低消費電力でのデータ通信が可能です。
MAN（Metropolitan Area Network）
- 概要: 都市レベルでのネットワーク。市内のビル間を接続する企業ネットワークなどが該当します。
- 特徴: LANより広く、WANより狭い範囲をカバーします。
3. ネットワークの構成要素
ネットワークは、以下のようなハードウェアやソフトウェアの構成要素から成り立っています。
ルーター
- 役割: 複数のネットワークを接続し、データを適切な経路にルーティングする装置。家庭用のルーターは、LANをインターネットに接続する役割も担っています。
スイッチ
- 役割: 同一ネットワーク内のデバイスを接続し、データを各デバイス間で効率的に転送する装置。ネットワーク内の通信がスムーズに行われるようにします。
モデム
- 役割: デジタル信号をアナログ信号に変換して通信回線を通じてデータを送信し、受信した信号を再びデジタル信号に変換します。インターネット接続において、プロバイダと家庭内ネットワークを接続する役割を持ちます。
サーバー
- 役割: ネットワーク上の他のデバイスに対してサービスやリソースを提供するコンピュータ。ファイルサーバー、ウェブサーバー、メールサーバーなどがあります。
クライアント
- 役割: サーバーからサービスやリソースを受け取るデバイスやプログラム。パソコンやスマートフォンがクライアントとして機能します。
アクセスポイント
- 役割: 無線ネットワーク（Wi-Fi）を提供するデバイス。無線LANを通じて、モバイルデバイスやノートPCがネットワークに接続できるようにします。
4. ネットワークプロトコル
ネットワークプロトコルは、デバイス間でデータを通信する際のルールや手順を定義したものです。以下は主要なプロトコルの例です。
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）
- 概要: インターネットの基本プロトコルで、データの正確な伝送とその経路を管理します。TCPはデータの分割や再構築、IPはパケットの送信先を決定します。
HTTP/HTTPS（HyperText Transfer Protocol/Secure）
- 概要: ウェブブラウザとウェブサーバー間でデータをやり取りするためのプロトコル。HTTPSはセキュリティを強化したバージョンです。
FTP（File Transfer Protocol）
- 概要: ネットワーク上でファイルを転送するためのプロトコル。主にファイルのアップロードやダウンロードに使用されます。
DNS（Domain Name System）
- 概要: ドメイン名をIPアドレスに変換するプロトコル。これにより、ユーザーは「www.example.com」のようなドメイン名を入力するだけでウェブサイトにアクセスできます。
5. ネットワークセキュリティ
ネットワークの安全性を保つためには、セキュリティ対策が不可欠です。以下は、一般的なセキュリティ対策の一部です。
ファイアウォール
- 役割: ネットワークへの不正アクセスを防ぐためのシステム。外部からの攻撃や、内部からの不正な通信をブロックします。
暗号化
- 役割: データを暗号化して、第三者が内容を理解できないようにする技術。HTTPSやVPNなどで使用されます。
ウイルス対策ソフト
- 役割: コンピュータウイルスやマルウェアからネットワークとデバイスを保護します。リアルタイムスキャンや定期的な更新が重要です。
VPN（Virtual Private Network）
- 役割: 公共のインターネットを通じてプライベートネットワークを構築し、データを安全に送受信します。リモートワークや海外からのアクセスで使用されることが多いです。
認証とアクセス制御
- 役割: ネットワークへのアクセスを特定のユーザーやデバイスに制限するための手段。パスワード、二要素認証、バイオメトリクスなどが使われます。
6. ネットワークの将来
IoT（Internet of Things）
- 概要: 家電や自動車、工場設備など、あらゆる「モノ」がインターネットに接続され、相互に通信する技術。スマートホームやスマートシティの実現に向けた重要な技術です。
5Gネットワーク
- 概要: 次世代の移動通信システムで、従来の4Gよりも高速かつ低遅延な通信が可能。リアルタイムのデータ通信が求められるIoTや自動運転車、AR/VRなどの分野で期待されています。
まとめ
- ネットワークは、デバイス間のデータ通信を可能にするシステムであり、日常生活やビジネスに欠かせない存在です。
- ネットワークの種類には、LAN、WAN、PAN、MANなどがあり、用途や規模に応じて使い分けられます。
- ネットワークの構成要素（ルーター、スイッチ、サーバーなど）や、プロトコル（TCP/IP、HTTPなど）がネットワークの機能を支えています。
- ネットワークセキュリティは、サイバー攻撃からネットワークを守るために非常に重要で、ファイアウォールや暗号化などの対策が必要です。
- 未来のネットワーク技術としては、IoTや5Gがあり、さらに広がりを見せています。
これらを理解することで、ネットワークの基本から応用まで、幅広く対応できる知識が身につきます。
回線
回線とは、伝送路とも言い、データが通る線のことです。
基本情報技術者試験では回線を通るデータの速さに関する計算問題が出題されます。
回線を通るデータの速さに関する計算問題では「伝送時間(転送時間)」と「伝送効率(回線利用率)」がよく聞かれます。
伝送時間とは、データを伝送するのにかかる時間のことです。
伝送効率とは、回線速度に対する伝送速度の割合のことです。
それぞれ以下の式で求めることができます。
伝送時間(データが送られる時間)＝伝送速度÷回線速度
伝送効率＝データ量÷伝送速度
通信プロトコル、OSI基本参照モデル、TCP/IP
通信プロトコルとは、コンピュータ同士が通信する際に守るべき規格のことです。
OSI基本参照モデル
OSI基本参照モデルとは、コンピュータ同士で通信する際に利用するネットワークの機能を７つに分類して階層化したモデルのことです。
| 階層 | 階層名 |
| 第1層 | 物理層 |
| 第2層 | データリンク層 |
| 第3層 | ネットワーク層 |
| 第4層 | トランスポート層 |
| 第5層 | セッション層 |
| 第6層 | プレゼンテーション層 |
| 第7層 | アプリケーション層 |
OSI基本参照モデルの各層で使用される機器を紹介します。
| 階層 | ネットワーク機器 |
| 第1層 | リピータ リピータハブ |
| 第2層 | ブリッジ スイッチングハブ |
| 第3層 | ルータ |
| 第4～7層 | ゲートウェイ |
リピータ、リピータハブ
リピータは長いケーブルを通って弱くなってしまった信号を増幅させ、通信距離を延ばす装置です。
リピータハブはリピータを複数繋いだ装置のことです。
ブリッジ、スイッチングハブ
ブリッジは、データのMACアドレスを見てLANとLANを中継する装置です。
スイッチングハブはブリッジを複数繋いだ装置のことで、複数のLAN間の通信を可能にします。
レイヤ２スイッチとも呼ばれます。
ルータ
ルータはデータのIPアドレスを見てネットワーク間を中継する装置です。
ゲートウェイ
ゲートウェイは第4～7層でプロトコルが異なるネットワークを接続する装置です。
TCP/IP
TCP/IPモデルとは、OSI基本参照モデルをよりシンプルにしたモデルです。
OSI基本参照モデルではなく、TCP/IPモデルが現在使われている標準ルールとなります。
| 階層 | 階層名 |
| 第1層 | ネットワーク インタフェース層 |
| 第2層 | インターネット層 |
| 第3層 | トランスポート層 |
| 第4層 | アプリケーション層 |
OSI基本参照モデルとTCP/IPモデルの層は以下のように対応しています。
物理層、データリンク層→ネットワーク、インタフェース層
ネットワーク層→インターネット層
トランスポート層→トランスポート層(そのまま)
セッション層、プレゼンテーション層、アプリケーション層→アプリケーション層
IPアドレス、サブネットマスク
IPアドレスとは
IPアドレスとはネットワーク上の住所のようなものです。
IPアドレスがあることでネットワークに接続しているコンピュータを識別することができます。
また、IPアドレスには「グローバルIPアドレス」と「プライベートIPアドレス」があります。
グローバルIPアドレスとは、インターネットに接続するコンピュータに、重複なく一意に割り当てられたIPアドレスのことです。
プライベートIPアドレスとは、インターネットに直接は接続しないコンピュータに割り当てられる、LAN内で使用されるIPアドレスのことです。
サブネットマスクとは
サブネットマスクとは、IPアドレスの「ネットワーク部」と「ホスト部」を識別するための番号のことです。
IPアドレスはネットワーク部とホスト部の２つで構成されており、ネットワーク部はどのネットワークに属しているのかを表していて、ホスト部はどのコンピュータなのかを示しています。
この「ネットワーク部」と「ホスト部」はサブネットマスクを見ることによって分かります。
サブネットマスクではネットワーク部を１で表し、ホスト部を０で表します。
例えば以下のようなIPアドレスがあったとします。(以下、分かりやすくするためにネットワーク部を赤色、ホスト部を青色にします。)
146.122.172.32
↓2進数表記にします。
10010010 10111010 10101101 00100001
上記のIPアドレスのサブネットマスクが以下のものだとします。
254.254.240.0
↓こちらも2進数表記にします。
11111111 11111111 11110000 00000000
すると、この場合は上位20桁がネットワーク部、下位12桁がホスト部だということが分かります。
基本情報技術者試験過去問
まずは以下の３つの問題を解いてみてください。
問1
10Mビット／秒の回線で接続された端末間で，平均1Mバイトのファイルを，10秒ごとに転送するときの回線利用率は何%か。ここで，ファイル転送時には，転送量の20%が制御情報として付加されるものとし，1Mビット＝106ビットとする。
基本情報技術者試験ドットコムより
ア.1.2
イ.6.4
ウ.8.0
エ.9.6
令和元年秋期 午前
問2
OSI基本参照モデルの第3層に位置し，通信の経路選択機能や中継機能を果たす層はどれか。
基本情報技術者試験ドットコムより
ア.セション層
イ.データリンク層
ウ.トランスポート層
エ.ネットワーク層
平成27年秋期 午前
問3
2台のPCにIPv4アドレスを割り振りたい。サブネットマスクが255.255.255.240のとき，両PCのIPv4アドレスが同一ネットワークに所属する組合せはどれか。
基本情報技術者試験ドットコムより
ア.192.168.1.14と192.168.1.17
イ.192.168.1.17と192.168.1.29
ウ.192.168.1.29と192.168.1.33
エ.192.168.1.33と192.168.1.49
平成28年秋期 午前
問1.解答
回線利用率は伝送効率のこと、転送量はデータ量のことです。伝送効率はデータ量÷伝送速度で求めることができます。
まず1秒当たりの転送量を求めます。
ファイル転送時に転送量の20%が制御情報として付加されるので転送するデータ量は1Mバイト×1.2＝1.2Mバイトと求められます。
10秒ごとにファイルの転送を行うので、1秒当たりの平均転送量は1.2Mバイト÷10＝0.12Mバイトと求められます。
単位を合わせるために回線の通信速度の単位をビットからバイトに変換します。10Mビット／秒をバイト単位に変換すると、10M÷8＝1.25Mバイト／秒となります。
1秒当たりの転送量が0.12Mバイト／秒、転送速度が1.25Mバイト／秒なので回線利用率は0.12÷1.25＝0.096＝9.6%となります。
よってエが正解となります。
問2.解答
ア…セション層は第5層で、アプリケーションプロセス間での会話を構成し、同期をとり、データ交換を管理するために必要な手段を提供する役割をもちます。
イ…データリンク層は第2層で、隣接ノード間の伝送制御手順(誤り検出、再送制御など)を提供する役割をもちます。
ウ…トランスポート層は第4層で、エラー検出/再送などの伝送制御を担い通信の品質を保証する役割をもつ。
エ…ネットワーク層は第3層で、エンドシステム間のデータ伝送を実現するために、ルーティング(通信経路選択)や中継などを行う役割をもちます。よってエが正解となります。
問3.解答
各選択肢のIPアドレスを2進数表記に変換し、サブネットマスクを用いてネットワーク部を比較します。ネットワーク部が等しければ同じネットワークに属していることになります。
選択肢のIPアドレスのうち前半24ビットは共通しているので後半8ビットのうちサブネットマスクが1となっている部分を比較します。
サブネットマスク255.255.255.240を2進数で表すと255.255.255.240＝11111111 11111111 11111111 11110000となります。
ア…192.168.1.14のうちの14を2進数表記にすると00001110です。サブネットマスクの後半8ビットは11110000です。よってこのIPアドレスのネットワーク部は00001110(赤色の部分)となります。
192.168.1.17も同じように調べるとネットワーク部は00010000(赤色の部分)だと分かります。
よってネットワーク部が異なるので「ア」は誤りです。
イ…同じように比較していくとネットワーク部が等しくなるので2つのIPアドレスは同一ネットワークに属することが分かります。
よって「イ」が正解となります。
ウ…同じように比較するとネットワーク部が異なるので誤りとなります。
エ…同じように比較するとネットワーク部が異なるので誤りとなります。
まとめ
今回は基本情報技術者試験のネットワーク分野の対策として、ネットワーク分野の重要なところを解説してきました。
最後までご精読いただきありがとうございました。
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